Aspectos evolutivos e da diversidade genética das espécies de Sisyrinchium L. pertencentes ao claro V.

Abstract

Sisyrinchium (Sisyrinchieae: Iridoideae: Iridaceae) é o maior gênero em número de espécies de Iridaceae. Este gênero ocorre em todo o continente americano, com o centro de origem e distribuição na América do Sul. Aproximadamente 35% das espécies de Sisyrinchium possuem flores com elaióforos que podem produzir óleos lipídicos como recompensa aos polinizadores. Suas espécies apresentam ampla diversidade morfológica intra e inter-populacional tornando a taxonomia de Sisyrinchium extremamente complicada. Classificações morfológicas dividem o gênero em oito seções, no entanto, recentes estudos filogenéticos identificaram nove clados que pouco se assemelham com as classificações taxonômicas prévias. Dentre os clados de Sisyrinchium, é importante destacar o clado V, formado por pelo menos duas seções: Lenitium e Scirpeocaris. Todas as espécies pertencentes a este clado possuem tricomas produtores de óleos florais (elaióforos) localizados na coluna estaminal. Visando contribuir para o conhecimento da biologia e evolução das espécies de Sisyrinchium, este estudo teve por objetivo investigar a evolução e características genéticas e citogenéticas de diferentes espécies de Sisyrinchium pertencentes ao clado V, além de aspectos da biologia reprodutiva para as duas categorias morfológicas de S. sellowianum. Dados de ISSR (Inter Simple Sequence Repeats) foram obtidos para diferentes espécies do clado V de Sisyrinchium para acessar a variação genética, estrutura populacional e fluxo gênico entre espécies. Dados citogenéticos foram utilizados para determinar o número cromossômico destas espécies. Separadamente, S. sellowianum foi classificada em duas categorias morfológicas devido à variação das populações naturais observadas nesta espécie. Dados de ISSR, número cromossômico, morfologia e viabilidade polínica, além de aspectos reprodutivos foram utilizados para caracterizar as categorias morfológicas de S. sellowianum (CM-I e CM-II). Para o estudo de relacionamento filogenético entre as espécies do clado V de Sisyrinchium foi amostrado um número representativo de espécies com as características deste clado e amplificadas duas regiões de DNA, ITS (nuDNA) e trnQ-rps16(cpDNA). Do estudo filogenético, 4,37% dos caracteres foram filogeneticamente informativos, sendo a região ITS1 a mais informativa. As análises suportaram a monofilia das espécies S. commutatum, S. setaceum, S. sellowianum CM-II e S. scariosum. As demais espécies avaliadas não formaram grupos suportados. Os dados de ISSR indicam que as populações das diferentes espécies de Sisyrinchium encontram-se fortemente estruturadas (FST= θB= 0.51) e não apresentam correlação entre distância genética e geográfica. Três níveis de ploidia foram observados entre as espécies deste clado, com populações diploides (2n= 2x= 18), tetraploides (2n= 4x= 36) e hexaploides (2n= 6x= 54), sendo o número básico x = 9. As populações de S. sellowianum mostraram alta diferenciação genética (FST = 0.46, θB= 0.62). Em relação à distribuição da variação genética, foi observada maior variação intra-populacional (69%) que inter-populacional (31%) na CM-I, enquanto em CM-II, 61% da variação foi observada entre as populações e 39% intra-populacional. Também não foi observada correlação entre distância genética e geográfica para as populações de S. sellowianum. No entanto, uma correlação significativa foi observada entre distância genética e categoria morfológica das populações de S. sellowianum. Quanto ao número cromossômico, CM-I apresentou populações diploides (2n= 2x= 18) e tetraploides (2n= 4x= 36), enquanto CM-II apenas populações diploides (2n= 2x= 18). O estudo polínico revelou diferentes morfologias polínicas em cada categoria morfológica, além de correlação entre tamanho dos grãos de pólen e nível de ploidia na CM-I. As categorias morfológicas de S. sellowianum também se diferenciam em relação ao modo reprodutivo, CM-I é alógama, enquanto CM-II é autógama, não havendo formação de frutos em cruzamentos realizados entre as categorias morfológicas. A alta estruturação populacional pode ser explicada pela distância entre as populações, o que possivelmente reduz o fluxo gênico devido ao comportamento dos polinizadores. Os polinizadores descritos para as espécies de Sisyrinchium produtoras de óleos florais são abelhas coletoras de óleos da família Apidae, tribo Tapinotaspidini, as quais geralmente forrageiam áreas restritas. As categorias morfológicas de S. sellowianum são geneticamente e morfologicamente diferenciadas e refletem seus modos reprodutivos. Os resultados obtidos podem auxiliar na delimitação destas duas categorias morfológicas como duas espécies ou subespécies, o que foi fortemente suportado nas análises filogenéticas. A técnica de ISSR não foi capaz de discriminar as diferentes espécies de Sisyrinchium, assim como os dados obtidos de duas sequências de DNA, os quais discriminaram apenas algumas espécies. Estes estudos indicam que dados genéticos sozinhos não são capazes de delimitar as espécies deste clado, tornando necessária a utilização de diferentes técnicas e abordagens para obter dados evolutivos e de relacionamento filogenético mais acurado, como os gerados para as duas categorias morfológicas de S. sellowianum.

Sisyrinchium (Sisyrinchieae: Iridoideae: Iridaceae) is the largest in number of species of Iridaceae. This genus occurs throughout the American continent, with the center of origin and distribution in South America. Approximately 35% of Sisyrinchium species have flowers with elaiophores that can produce lipid oils as a reward to pollinators. Its species have a wide morphological diversity within and among populations making the taxonomy of Sisyrinchium extremely complicated. Morphological classifications proposed eigth sections to genus, however, recent phylogenetic studies identified nine clades do not correspond to the previous taxonomic classifications. Among the clades of Sisyrinchium, it is important to highlight the clade V, formed by at least two sections: Lenitium and Scirpeocaris. All species belonging to this clade possess trichomes producers of floral oils (elaiophores) located in the staminal column. Aiming to contribute for the understanding of the biology and evolution of Sisyrinchium species, this study investigated the evolution and genetic plus cytogenetic traits of different species belonging to the clade V, and aspects of reproductive biology for the two morphological categories of S. sellowianum. ISSR data were obtained for the different species of Sisyrinchium clade V in order to assess genetic variation, population structure and gene flow among species. Cytogenetic data were used to determine the chromosome number of these species. Separately, S. sellowianum was classified into two categories due to morphological variation in natural populations observed in this species. ISSR data, chromosome number, morphology and viability pollen plus reproductive parameters were used to characterize the morphological categories of S. sellowianum (MC-I and MC-II). To evidence the phylogenetic relationships among species of Sisyrinchium of clade V a representative number of species was sampled with the characteristics of this clade and amplified two DNA regions, ITS (nuDNA) and trnQ-rps16 (cpDNA). Concerning the phylogenetic study, 4.37% of the characters were phylogenetically informative, with the ITS1 the most informative. The analysis supported the monophyly of the species S. commutatum, S. setaceum, S. sellowianum MC-II and S. scariosum. The other species did not form supported groups. ISSR data indicate that populations of different species of Sisyrinchium are strongly structured (FST= θB= 0.51) and no correlation between genetic and geographic distances. Three ploidy levels were observed among species of this clade, with diploid (2n= 2x= 18), tetraploid (2n= 4x= 36) and hexaploid (2n= 6x= 54) populations, with the basic number x = 9. The populations of S. sellowianum showed high genetic differentiation (FST = 0.46, θB= 0.62). Regarding the distribution of genetic variation, greater intra-population variation (69%) that inter-population (31%) was observed in MC-I, while the MC-II, 61% of the variation was observed among populations and 39% intra-population. Also no correlation between genetic and geographic distance was observed for the populations of S. sellowianum. However, a significant correlation between genetic distance and morphological category of the populations of S. sellowianum was observed. Regarding the chromosome number, MC-I showed diploid (2n= 2x= 18) and tetraploid (2n= 4x= 36) populations, while MC-II only diploid (2n= 2x= 18) populations. The pollen study revealed different pollen morphologies in each morphological category, and correlation between pollen pollen size and ploidy level in MC-I. Morphological categories of S. sellowianum also differ in relation to the reproductive mode, MC-I is alogamous, while MC-II is autogamous, with no fruit development in crosses made between morphological categories. The high population structure can be explained by distance among populations, which possibly reduces gene flow due to the behavior of pollinators. Pollinators described for the species of Sisyrinchium producing floral oils are oil-bees of the family Apidae, tribe Tapinotaspidini, which generally restricted foraging areas. Morphological categories of S. sellowianum are genetically and morphologically differentiated and reflect their mating systems. The results can assist in the delimitation of two morphological categories such as two species or subspecies, which was supported highly in phylogenetic analysis. The ISSR technique was not able to discriminate different species of Sisyrinchium, as well as the data obtained by the two DNA sequences, which discriminate only a few species. These studies suggest that genetic data alone are not able to delimit species of this clade, making necessary the use of different techniques and approaches to obtain evolutionary and phylogenetic relationship more accurate, as those generated for the two morphological categories of S. sellowianum.